برای اولین بار؛

سیاه‌چاله‌ها شبیه‌سازی شدند / یک قدم تا اثبات معروفترین نظریه هاوکینگ

دانشمندان موفق به ایجاد یک سیاه چاله در آزمایشگاه شده‌اند که می‌تواند به آن‌ها در کشف برخی موضوعات و اثبات یکی از معروف‌ترین نظریه‌های استیون هاوکینگ کمک کند.

کد خبر: ۷۶۷۸۶۱

شنبه - ۱۱ خرداد ۱۳۹۸ / June 01, 2019

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، دانشمندان با ایجاد یک سیاه چاله در آزمایشگاه یک گام به اثبات نظریه "تابش هاوکینگ" (Hawking radiation) نزدیک شده‌اند.

تابش هاوکینگ تابش جسم سیاه است که پیش‌بینی می‌شود به خاطر تأثیر کوانتومی در نزدیکی افق رویداد، از سیاه‌چاله تابیده شده باشد. این پدیده به نام «استیون هاوکینگ» نامگذاری شده‌ است. زیرا نخستین‌بار او در سال ۱۹۷۴ (میلادی) بحث نظری وجود آن را مطرح کرد. کار‌های هاوکینگ به توضیح نتایج یاکوب بکنشتاین کمک کرد. یاکوب بکنشتاین پیش‌بینی کرده بود که بیشینه آنتروپی سیاه‌چاله اندازه مشخصی دارد.

تابش هاوکینگ باعث کاهش جرم و انرژی سیاه‌چاله می‌شود که به تبخیر سیاه‌چاله شناخته می‌شود. به همین خاطر سیاه‌چاله‌هایی که جرم آن‌ها به روش دیگری افزایش نمی‌یابد با گذر زمان جرم آن کاهش یافته و در پایان، از بین می‌روند. پیش‌بینی می‌شود که تابش ریزسیاه‌چاله، بیشتر از سیاه‌چاه‌های بزرگ‌تر باشد؛ بنابراین با سرعت بیشتری کوچک شده و از میان می‌رود. تابش هاوکینگ این معنی را می‌دهد که یک سیاه‌چاله می‌تواند کوچک شده و در نهایت کاملاً از بین برود. هنگامی که ذرات فرار می‌کنند سیاه‌چاله مقداری از جرم و در نتیجه انرژی خود را (طبق E=mc ۲) از دست می‌دهد. توان ساطع شده به وسیله یک سیاه‌چاله در قالب تابش هاوکینگ را به آسانی می‌توان تخمین زد.

آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام برای نخستین بار وجود سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی کرده بود. این نظریه سیاه چاله را به عنوان یک جسم با یک نیروی گرانشی قدرتمند توصیف کرد که حتی نور نمی‌تواند از آن فرار کند و نقطه‌ای هم وجود دارد که اجسام پس از ورود به آن نیز نمی‌توانند به بیرون بازگردند که این موضوع به عنوان افق رویداد شناخته می‌شود.

اما هاوکینگ مخالف بود و اعتقاد داشت که سیاه چاله‌ها کاملاً سیاه نیستند. او پیش بینی کرده بود که وقتی مکانیک کوانتومی در نظر گرفته شود، سیاهچاله‌ها در واقع یک جریان کوچک پرتوی حرارتی را در دمایی که به جرم آن‌ها بستگی دارد، منتشر می‌کنند.

با توجه به فیزیک کوانتوم، فضا با جفت ذراتی که با هم ظاهر می‌شوند، پر می‌شود و فوراً از بین می‌رود. اگر این فرآیند در نزدیکی افق رویداد رخ دهد، نیروی گرانشی قریب الوقوع سیاه چاله می‌تواند جفت ذرات را از هم جدا کند تا مانع از بین بردن یکدیگر شوند. یک ذره توسط سیاهچاله جذب می‌شود و جرم آن را تا زمانی که نهایتاً ناپدید شود، کاهش می‌دهد، در حالی که ذرات دیگر قادر خواهند بود به عنوان تابش حرارتی فرار کنند که این موضوع با نام تابش هاوکینگ شناخته می‌شود، اما تابش هاوکینگ با تکنولوژی فعلی دنیا تقریباً غیرقابل مشاهده است. اگر دانشمندان مایل به مشاهده یا تأیید وجود تابش هاوکینگ باشند، آن‌ها می‌بایست سیاهچاله‌ها را مجدداً ایجاد کنند و این دقیقاً همان چیزی است که یک گروه از فیزیکدانان "مؤسسه فناوری تکنیون" (Technion Institute of Technology) اخیراً در آزمایشگاه انجام داده‌اند.

پژوهشگران این مطالعه آنالوگی از یک سیاهچاله را در آزمایشگاه با استفاده از چگالش بوز-اینشتینِ اتم‌های روبیدیم فوق‌العاده سرد " (Bose-Einstein condensate of ultra-cold rubidium atoms) ایجاد کردند. پس از آن با تنظیم انرژی حاصل از پرتو‌های لیزری متمرکز دریافتند یک طرف چگالش، چگال‌تر از طرف دیگر است. این نیرو‌ها با استفاده از صدا، به جای نور و یک نقطه گذار بر روی میعانات گازی که به عنوان افق رویداد عمل می‌کند، یک سیاهچاله واقعی را شبیه سازی می‌کنند.

چگالش بوز-اینشتین (Bose–Einstein condensate) حالتی از ماده است که در آن، یک گازِ رقیقِ بوزون (Boson) را تا دمای بسیار پایین و در ۲۷۳٫۱۴- درجه سانتی‌گراد (بسیار نزدیک به صفرمطلق)، سرد می‌کنند. در اثر دمای بسیار پایین در این گذارفازی (Phase transition)، بخش بسیار بزرگی از بوزون‌ها، کمترین حالت کوانتومی را اشغال می‌کنند و در آن نقطه پدیدهٔ "کوانتومیِ‌ماکروسکوپی" (Macroscopic quantum phenomena) آشکار می‌شود. بوزون‌های سرد در هم فرو می‌روند و ابَر ذره‌هایی که رفتاری بیشتر شبیه یک ریزموج (Microwave) دارد تا ذره‌های معمولی شکل می‌گیرد. مادهٔ چگال شده بوز-اینشتین شکننده و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

در سمت چگال تر، سرعت صدا سریع‌تر بود، بنابراین امواج صوتی قادر به حرکت در همه جهات یا به سمت یا دور از نقطه گذار بودند. با این حال، هنگامی که امواج صوتی به سمت کم چگال‌تر چگالش حرکت می‌کردند، سرعت صدا پایین‌تر بود و آن‌ها تنها می‌توانستنند در یک جهت و بیشتر به سمت سیاه چاله حرکت کنند.

بنابر گزارش"Science News"، زمانی که محققان امواج صوتی یا فونون‌هایی را که فرار کرده بودند و آن‌هایی که به سیاهچاله افتاده بودند را اندازه گیری کردند، دریافتند که دمای آن‌ها ۰.۳۵ میلیاردم کلوین (billionths of a. Kelvin) است، که این دما مطابق با نظریه‌های هاوکینگ است. نتایج نیز با یکی دیگر از پیش‌بینی هاوکینگ که طی آن باور دارد این تابش، حرارتی است نیز مطابقت دارد.

در فیزیک کوانتوم هیچ اطلاعاتی تاکنون نابود نشده است. با این حال، در نظریه هاوکینگ، جرم سیاه چاله تا زمانیکه کاملاً ناپدید شود، به آرامی کاهش می‌یابد. اگر یک سیاهچاله ناپدید شود، تمام اطلاعاتی که در گذشته تحلیل می‌کرد نیز از بین می‌رود، که این موضوع قوانین مکانیک کوانتوم را نقض می‌کند.

"جف استینهار" (Jeff Steinhauer) فیزیکدان "مؤسسه فناوری تکنیون" گفت: راه حل پارادوکس اطلاعات، در فیزیک سیاهچاله واقعی است نه در فیزیک سیاهچاله آنالوگ.